Los modelos de combustión para CFD se refieren a modelos de combustión para dinámica de fluidos computacional . La combustión se define como una reacción química en la que un combustible reacciona con un oxidante para formar productos, acompañados de la liberación de energía en forma de calor. Al ser parte integral de varias aplicaciones de ingeniería como: motores de combustión interna , motores de aeronaves , motores de cohetes , hornos y cámaras de combustión de centrales eléctricas, la combustión se manifiesta como un dominio amplio durante las etapas de diseño, análisis y características de rendimiento de las aplicaciones mencionadas anteriormente. [1] Con la complejidad añadida de la cinética química y el logro de un entorno de mezcla de flujo reactivo, se debe incorporar una física de modelado adecuada durante las simulaciones de combustión mediante dinámica de fluidos computacional (CFD) . Por lo tanto, la siguiente discusión presenta un esquema general de los diversos modelos adecuados incorporados con el código de dinámica de fluidos computacional para modelar el proceso de combustión. [2]
El modelado de la combustión mediante dinámica de fluidos computacional requiere la selección e implementación adecuadas de un modelo adecuado para representar fielmente el complejo fenómeno físico y químico asociado con cualquier proceso de combustión. El modelo debe ser lo suficientemente competente para proporcionar información relacionada con la concentración de especies, su tasa de generación o destrucción volumétrica y los cambios en los parámetros del sistema como la entalpía, la temperatura y la densidad de la mezcla. El modelo debe ser capaz de resolver las ecuaciones generales de transporte para el flujo de fluidos y la transferencia de calor, así como las ecuaciones adicionales de la química de la combustión y la cinética química incorporadas en él según el entorno de simulación deseado [1].
La consideración principal durante cualquier proceso de combustión general incluye la escala de tiempo de mezcla y la escala de tiempo de reacción transcurrido para el proceso. También se deben tener en cuenta el tipo de llama y el tipo de mezcla de corrientes de flujo de los constituyentes. Aparte de eso, en lo que respecta a la complejidad cinética de la reacción, la reacción se desarrolla en múltiples pasos y lo que parece una reacción simple de una línea en realidad se completa después de una serie de reacciones. [1] [2] También se deben resolver las ecuaciones de transporte para las fracciones de masa de todas las especies, así como la entalpía generada durante la reacción. Por lo tanto, incluso la reacción de combustión más simple implica un cálculo muy tedioso y riguroso si todos los pasos intermedios del proceso de combustión, todas las ecuaciones de transporte y todas las ecuaciones de flujo deben satisfacerse simultáneamente. Todos estos factores tendrán un efecto significativo en la velocidad computacional y el tiempo de la simulación. Pero con las suposiciones simplificadoras adecuadas, el modelado fluidodinámico computacional de la reacción de combustión se puede realizar sin comprometer sustancialmente la precisión y la convergencia de la solución. [2] Los modelos básicos utilizados para el mismo se cubren en los siguientes párrafos.
Este modelo toma en consideración únicamente la concentración final de especies y tiene en cuenta únicamente la naturaleza global del proceso de combustión, donde la reacción avanza infinitamente rápido como un proceso de un solo paso sin mucho énfasis en la cinética detallada involucrada. [1]
Se supone que los reactivos reaccionan en proporciones estequiométricas . El modelo también deduce una relación lineal entre las fracciones de masa de combustible, oxidante y la fracción de mezcla variable adimensional. [2] El modelo también tiene en cuenta un supuesto adicional de que los coeficientes de difusión de masa de todas las especies son iguales. [3] Debido a este supuesto adicional, el modelo solo resuelve una ecuación diferencial parcial adicional para la fracción de mezcla y, después de resolver la ecuación de transporte para la fracción de mezcla, se calculan las fracciones de masa correspondientes para el combustible y el oxidante.
Este modelo se puede aplicar muy bien a un entorno de combustión donde los efectos de difusión laminar son dominantes y la combustión se realiza a través de corrientes de combustible y oxidante no premezcladas que se difunden entre sí dando lugar a una llama laminar. [1]
Este modelo se utiliza cuando se debe tener en cuenta la mezcla turbulenta de los constituyentes. La escala de tiempo turbulento k/Ɛ se utiliza para calcular la velocidad de reacción. Se realiza una comparación entre las tasas de disipación turbulenta del combustible, el oxidante y los productos y se toma el mínimo entre todos como la velocidad de la reacción. Las ecuaciones de transporte para las fracciones de masa de los constituyentes se resuelven utilizando esta velocidad de reacción. [1] Aparte de esto, también se resuelve una ecuación de entalpía media y se calculan la temperatura, la densidad y la viscosidad en consecuencia. El modelo también se puede implementar cuando se debe simular una reacción controlada cinéticamente a velocidad finita. En tal situación, al decidir la velocidad de la reacción, también se tiene en cuenta la expresión de la velocidad cinética de Arrhenius y la velocidad de reacción se toma como mínima entre las tasas de disipación turbulenta de todos los constituyentes y la expresión de la velocidad cinética de Arrhenius. [2] Dado que la mezcla turbulenta rige las características de este modelo, existe un límite a la calidad de la simulación de la combustión que depende del tipo de modelo turbulento implementado para representar el flujo. El modelo también se puede modificar para tener en cuenta la mezcla de estructuras finas durante la reacción turbulenta. Esta modificación del modelo da como resultado el modelo de disipación de remolinos que considera la fracción de masa de las estructuras finas en sus cálculos. [1]
Este modelo aproxima la llama turbulenta como una serie de regiones laminares de flamas concentradas justo alrededor de las superficies estequiométricas de la mezcla reaccionante. [1] Este modelo explota el uso de datos experimentales para determinar las relaciones entre las variables consideradas como fracción de masa, temperatura, etc. La naturaleza y el tipo de dependencia de las variables se predice a través de datos experimentales obtenidos durante el experimento de llama de difusión laminar y la relación de flamas laminares se deduce en base a los mismos. Estas relaciones se utilizan luego para resolver las ecuaciones de transporte para la fracción de masa de especies y la composición de la mezcla. [2] El modelo se puede implementar muy bien para situaciones donde se debe calcular la concentración de especies menores en la combustión, como cuantificar la generación de contaminantes. [1] Una simple mejora al modelo da como resultado el modelo de escala de tiempo de flamas que toma en consideración el efecto cinético de velocidad finita. El modelo de escala de tiempo de flamas produce una solución de flamas laminares constantes cuando la reacción avanza muy rápido y captura los efectos de velocidad finita cuando la química de la reacción es dominante. [4]
Este modelo tiene en cuenta un enfoque estadístico para calcular las variables como fracciones de masa de especies, temperatura y densidad mientras que la composición de la mezcla se calcula en las cuadrículas. [2] Luego, todas estas variables se calculan como funciones de la fracción de mezcla alrededor de una función de distribución de probabilidad presunta . [1] [5] El modelo puede producir resultados satisfactorios para flujos reactivos turbulentos donde los efectos de convección debido a los componentes medios y fluctuantes de la velocidad son dominantes. [6] El modelo se puede extender para condiciones adiabáticas y no adiabáticas.
El cierre de momento condicional (CMC) es un modelo de combustión avanzado. La idea básica es modelar la fuente química en función de promedios condicionales . El modelo se introdujo por primera vez para flujos no premezclados y, por lo tanto, el acondicionamiento se realiza en la fracción de mezcla. [7]
Los siguientes son algunos de los otros modelos relevantes utilizados para el modelado fluidodinámico computacional de la combustión.
El modelo de equilibrio químico considera el efecto de las reacciones intermedias durante la combustión turbulenta. [1] La concentración de especies se calcula cuando la reacción de combustión alcanza el estado de equilibrio. La concentración de especies se calcula como una función de la fracción de mezcla mediante la implementación de ciertos programas de cálculo de equilibrio disponibles para este propósito. El modelo de cierre condicional resuelve las ecuaciones de transporte para los componentes medios de las propiedades del flujo sin considerar la composición fluctuante de la mezcla de reacción. [6]